立體聲耳機放大器設計挑戰暨“真實(shí)接地”方案

　　為了滿(mǎn)足消費者對耳機音頻質(zhì)量更高的要求，手機、GPS和MP3播放器等便攜消費類(lèi)設備需要高質(zhì)量的立體聲耳機放大器。而設計人員在設計立體聲耳機放大器輸出段時(shí)，需要從橋接負載、電容耦合、虛擬接地及真實(shí)接地等不同選擇中選出更適合的方案。

　　這些不同的輸出段設計選擇各有其優(yōu)缺點(diǎn)，如橋接負載的動(dòng)態(tài)范圍較大，支持單電源工作，但不兼容立體聲耳機；電容耦合兼容立體聲耳機，同時(shí)支持單電源工作，卻存在需要大電容及高通濾波等問(wèn)題；虛擬接地也支持單電源，無(wú)需耦合電容，但若有麥克風(fēng)，就不兼容立體聲耳機。

　　相比較而言，真實(shí)接地輸出設計體現出更多的應用優(yōu)勢，如支持立體聲耳機，無(wú)需大解耦電容，從而節省電路板空間及避免大電容可能較貴的成本，改善低頻響應性能，并提高電源抑制比(PSSR)。此外，包括音頻和直流偏置在內的所有信號的參考電平相同，將串擾減至最小，并支持帶4點(diǎn)插孔(4 points jack)的標準附件。特別是采用這種設計的放大器更易于實(shí)現靜電放電(ESD)/電磁干擾(EMI)保護。當然，采用真實(shí)接地也會(huì )付出占位面積方面的代價(jià)，這種立體聲放大器會(huì )比常規立體聲放大器尺寸大50%。但綜合來(lái)看，真實(shí)接地立體聲耳機放大器為客戶(hù)提供更多的應用優(yōu)勢，成為客戶(hù)理所當然的選擇。

圖1：不同立體聲音頻放大器輸出段設計電路圖。

　　“真實(shí)接地”輸出段設計的挑戰及解決方案

　　不過(guò)，對設計人員而言，立體聲耳機音頻放大器輸出段真實(shí)接地設計并不容易。因為與虛擬接地等其它設計支持單電源工作不同，真實(shí)接地設計中，放大器需要采用雙電源工作，即同時(shí)需要正電源電壓和負電源電壓，而負電源電壓的產(chǎn)生并非易事。

　　可以考慮兩種方案來(lái)產(chǎn)生負電壓。一是利用電感式降壓轉換器，二是利用電荷泵。電感式降壓轉換器采用電感作為儲能及傳遞能量的介質(zhì)(見(jiàn)圖2a)。這種方案中，MOSFET導通時(shí)，電感充電，充電電流方向如紅色線(xiàn)條所示，此時(shí)肖特基二極管截止；MOSFET關(guān)閉時(shí)，肖特基二極管導通，電感放電，放電電流方向如藍色線(xiàn)條所示，同時(shí)給電容充電。由于電容正極接地，故給電容的充的電壓為負電壓，即輸出為負電壓。這種產(chǎn)生負電壓的方案效率極高，且能提供大電流，但其問(wèn)題在于所采用的電感跟在輸出段移除的電容尺寸一樣大、價(jià)格一樣貴，即不能體現出減小電路板占用空間和降低成本的優(yōu)勢。

　　電荷泵式轉換器常用于反壓型直流-直流(DC-DC)轉換，即輸入正電壓，輸出負電壓，電路中采用電容作為儲能及傳遞能量的介質(zhì)。這種方案中包含4個(gè)開(kāi)關(guān)及2個(gè)電容(C1和C2)，見(jiàn)圖2b。如圖所示，C1左側的兩個(gè)開(kāi)關(guān)導通時(shí)，右側的兩個(gè)開(kāi)關(guān)關(guān)閉，C1充電(見(jiàn)紅色線(xiàn)條)；下一個(gè)時(shí)序時(shí)，C1左側的兩個(gè)開(kāi)關(guān)關(guān)閉，右側的兩個(gè)開(kāi)關(guān)導通，C1放電，并給電容C2充電。由于C2正極接地，故C2上充的電壓是負電壓，即輸出負電壓。如今便攜電子產(chǎn)品中電荷泵電路的開(kāi)關(guān)頻率越來(lái)越高，故不需要使用尺寸大、價(jià)格貴的大電容。這便是電荷泵方案的一大優(yōu)勢，其它優(yōu)勢還包括在產(chǎn)生負電壓時(shí)效率極高，這些優(yōu)勢讓其在產(chǎn)生負電壓方面備受青睞。不過(guò)，在實(shí)際應用中，還要注意一些問(wèn)題，如要使用隔離晶體管，防止結二極管導電；且需要其它功能來(lái)恰當偏置隔離晶體管，確保結二極管反向偏置。

圖2：兩種負電壓產(chǎn)生方案的電路原理圖。

　　從電源架構來(lái)看，“真實(shí)接地”立體聲耳機音頻放大器采用“穩壓器(如電荷泵式轉換器)+放大器”架構(見(jiàn)圖3)，這種架構的電源抑制比(PSSR)比音頻放大器直接連接在電池正極電壓(Vbat)與電池負極電壓(-Vbat)之間的系統高。而對便攜消費類(lèi)產(chǎn)品而言，音頻放大器必須具有較高的PSSR，從而避免受到電源與布線(xiàn)噪聲的干擾。

圖3：NCP2811A(外部可調節增益)無(wú)電容立體聲耳機變壓器功能框圖

　　NCP2811 A/B無(wú)電容真實(shí)接地立體聲耳機放大器特性及優(yōu)勢

　　安森美半導體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應商，為便攜消費應用推出一系列的無(wú)噪聲音頻放大器，如用于揚聲器的NCP2991/0、NCP2892、NCP2890/NCV2890、NCP4894、NCP2820/20A/30，以及用于立體聲耳機的NCP2809和NCP2811。其中，NCP2809采用虛擬接地設計，而NCP2811是一款無(wú)電容(NoCap?)真實(shí)接地立體聲耳機放大器。這器件采用“電荷泵+放大器”式電源架構，應用了真實(shí)接地設計，內置的電荷泵架構同時(shí)提供正電源電壓(VRP)及負電源電壓(VRM)，讓放大器輸出段省下2個(gè)外部隔直(DC blocking)大電容，并能夠使用4點(diǎn)連接器，讓麥克風(fēng)和耳機使用相同接地引腳，高效利用引腳資源。

　　NCP2811在采用5 V電源電壓工作時(shí)，為16 ?的耳機負載提供100 mW功率，背景噪聲僅為7 μVrms AW，總諧波失真(THD)+噪聲(N)小于0.01%。此外，NCP2811內置爆音(Pop)及嘀噠(Click)噪聲消除電路，讓消費者不會(huì )聽(tīng)到擾人的噪聲；-100 dB的高PSSR，進(jìn)一步提高噪聲抑制水平；105 dB的信噪比(SNR)更是提升音質(zhì)，增強消費者音頻體驗質(zhì)量。這器件還抑制EMI，且在關(guān)閉模式消耗極低的電流，幫助延長(cháng)電池使用時(shí)間。

　　NCP2811采用節省空間的CSP 12引腳封裝，尺寸僅為1.5×2 mm，引腳間距0.5 mm；此外還提供QFN 3×3 mm封裝。NCP2811包含兩個(gè)版本：NCP2811A為外部可調節增益版本，而NCP2811B為內部固定增益版本。

　　NCP2811外部元件選擇

　　設計人員應用NCP2811真實(shí)接地立體聲耳機變壓器時(shí)，還涉及到外部元件選擇的問(wèn)題。如對外部可調節增益的NCP2811A而言，需要設定增益；而其閉環(huán)增益由電阻Rf和Rin決定，建議閉環(huán)增益設定在1至10的范圍內。

　　在輸入端的電容選擇方面，輸入電阻Rin + 輸入電容Cin使高通濾波器阻隔低頻，Cin的選擇應使Cin – Rin低通濾波器截止頻率(fc)低于20 Hz。

　　而在電荷泵電容方面，應當選擇低等效串聯(lián)電阻(ESR)的陶瓷電容(建議X7R或X5R)；另外，在負電壓產(chǎn)生期間，飛跨(flying)電容(Cfly)充當能量傳遞作用，而Cpvm(參見(jiàn)圖3)電容至少要等于Cfly，使能量傳遞增至最大。最小的Cfly和Cpvm值是1 μF(0402封裝尺寸)，可以選擇TDK的 C1005X5R0J105K及Murata的GRM155R60J105K19。解耦電容方面，同樣建議選擇X7R或X5R規格的低ESR陶瓷電容，而且建議最低選擇1 μF電容值。

　　如前所述，NCP2811這樣的真實(shí)接地設計易于實(shí)現ESD保護。對于NCP2811而言，它基本上是高性能的運算放大器，而運算放大器在驅動(dòng)電容性負載時(shí)會(huì )變得不穩定。因此，如果設計中需要電容性ESD保護，建議在NCP2811輸出與ESD保護電路之間串聯(lián)增加2顆10 Ω電阻，從而將電容性負載效應降至最低。

圖4：設計中需要電容性ESD保護時(shí)，建議在NCP2811輸出與ESD保護間串聯(lián)電阻。

　　總結：

　　便攜消費類(lèi)設備需要高質(zhì)量的立體聲耳機放大器，滿(mǎn)足消費者對更佳音頻體驗的需求。立體聲耳機放大器輸出段設計有橋接負載、電容耦合、虛擬接地和真實(shí)接地等不同選擇，其中真實(shí)接地提供眾多的應用優(yōu)勢，是客戶(hù)理所當然的選擇。但真實(shí)接地設計中，放大器需要采用雙電源工作，其中的負電壓產(chǎn)生成為難題。有利的是，安森美半導體推出NCP2811無(wú)電容(NoCapTM)真實(shí)接地立體聲耳機放大器，這器件采用“電荷泵+放大器”的電源架構，電荷泵同時(shí)產(chǎn)生正電壓和負電壓，幫助省下輸出端2個(gè)隔直大電容，騰出更多板級空間。這器件還提供低噪聲及高信噪比和高電源抑制比，具有優(yōu)異的噪聲抑制水平，再加上小尺寸的CSP-12封裝，非常適合手機、MP3播放器和GPS等空間受限的消費類(lèi)設計。